Schaltungen mit Feldeffekttransistoren Anregungen für den Schulunterricht zur Behandlung der Leitungsvorgänge in Halbleitern

Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung der ersten Staatsprüfung für das Lehramt am Gymnasium

Universität Leipzig Fakultät für Physik und Geowissenschaften Bereich Didaktik der Physik

vorgelegt von: Jens Hunger geboren am:

19.09.1979

Betreuer:

Prof. Dr. Wolfgang Oehme

2. Guta htcr: Dr. Pcter Riegel'

Leipzig, den 31.08.2006

Inhaltsverzeichnis Einleitung

1

I

2

Grundlagen

1 Bipolartransistoren

1.1

2

Aufbau und Ersatzschaltbilder .

2

1.2 Kennlinien und Stromverstärkung

4

1.3 Herstellung . . . . . . . .

6

1.3.1

Einzeltransistoren .

7

1.3.2

Integrierte Transistoren .

8

1.4 Grundschaltungen . . . . . . . .

11

12

2 Feldeffekttransistoren

2.1

Zur Geschichte des Feldeffekttransistors .

12

2.2 Der Begriff ,,Feldeffekttransistor" .

12

2.3 Aufbau des Feldeffekttransistors

13

2.4 Die Typen von Feldeffekttransistoren

14

2.4.1

Funktionsprinzip von MOSFETs .

15

2.4.2

Die vier Arten von MOSFETs

16

2.4.3

Funktionsprinzip von JFETs .

20

2.5 Kennlinien von Feldeffekttransistoren

22

2.6 Übersicht zu den Feldeffekttransistoren

24

11 Schaltungen

26

3 npn-Transistor

27

3.1 Kennlinien.

27

3.1.1

Eingangskennlinie .

27

I

3.1.2

Übertragungskennlinie

28

3.1.3

Ausgangskennlinien ..

32

3.1.4 Verstärkungskennlinie

36

3.2 Ausgangskennlinie mittels Oszilloskop .

37

3.3 Kleinsignalverstärker · ..

42

3.4 Der Transistor als Schalter

46

3.4.1

· .. mit mechanischem Schalter

46

3.4.2

· .. mit Fotowiderstand

48

3.4.3

· .. mit Thermistor ..

51

4 Selbstsperrender n-Kanal-MOSFET

56

4.1 Übertragungskennlinie

56

4.2 Ausgangskennlinien . .

60

4.3 Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop

63

4.4 Kleinsignalverstärker ·

..

66

4.5 Der Transistor als Schalter

69

4.5.1

· .. mit mechani chem Schalter

69

4.5.2

... mit Fotowiderstand

71

4.5.3

· .. mit Thermistor

74

4.6 Verzögerungsschaltung ..

78

5 Selbstleitender n-Kanal-MOSFET

82

5.1 Übertragungskennlinie

83

5.2 Ausgangskennlinien . .

86

5.3 Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop

89

5.4 Kleinsignalverstärker

· ...

92

5.5 Der Transistor als Schalter .

94

5.5.1

· .. mit mechanischem Schalter

94

5.5.2

· .. mit Fotowiderstand . . . .

96

II

5.5.3

... mit Thermistor

98

6 n- Kanal-JFET

101

Übertragungskennlinie

101

6.2 Ausgangskennlinien ..

105

6.3 Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop

108

6.4 Kleinsignalverstärker . . . .

111

Der Transistor als Schalter .

114

6.1

6.5

6.5.1

mit mechanischem Schalter

114

6.5.2

mit Fotowiderstand

116

6.5.3

mit Thermistor

119

7 Gesteuerter Widerstand

123

7.1 Grundprinzip . . . . . . . . . . .

123

7.2 Linearisierung des Widerstandes .

124

7.3 Spannungsteiler mit Transistoren

126

7.4 Widerstandsverhalten von Transistoren

133

Zusammenfassung

138

Literaturverzeichnis

141

Eidesstattliche Erklärung

143

III

Seite: 111 I

6.4

KI

Kleinsignalverstärker

. fit einem n-Kanal-JFET lassen sich Signale verstärken.

Hinweise für das Simulationsexperiment

..................................................

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11

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Abbildung 81: Simulationsschaltung nj/ee sigver. ewb für einen n-Kanal-JFET als Kleinsignalverstärker

Seite: 112

r

KI

Hinweise für das Realexperiment

lach dem Aufbau der Schaltung (vgl. Abb. 82) werden der Arbeitspunkt

(UDS =

5\'. über 220[2 Potentiometer regeln) und die angegebenen Werte an den Geräten eIn'"

teIlt. Die Signalstärke am F\mktionsgenerator ist so zu justieren, dass am

Oszilloskop eine glatte Sinuskurve angezeigt wird. Mit dem beschriebenen Auf-

bau erhält man den Verstärkungsfaktor 3.

Geräte und Bauelemente:

Einstellungen:

2 etzgeräte -l5V .. l5V=

UB ,

Funkt ionsgenerator

UB , es

Zweikanalo zilloskop

Ues::::::: -2.5V

pannungsmesser -lOV... lO V = (M)

DS =

=

10V (-)5V

Funktionsgenerator:

Transistor B F245C

f

Wider tand 1kO

Oszilloskop:

Potentiometer 2200

(0.2ms, 0.1 V AC, 0.2AC)

2Kondensatoren 100J-LF

=

1kHz, Sinus, 100mV

Seite: 113 r, I

KI

Abbildung 82: Demonstrationsaufbau njfet_ sigver für die Schaltung eines nKanal-JFETs als Kleinsignalverstärker

Seite: 116 b

6.5.2

... mit Fotowiderstand

Die Schaltung kann in zwei Varianten aufgebaut werden, entweder als Hell-Hell(Abbildung 84) oder Hell-Dunkel-Schaltung (Abbildung 85).

Hell-HeIl-Schaltung ach dem Aufbau der Schaltung wird zum Einstellen die Glühlampe ausgeschaltet und die Stellung des 1kO Potentiometers so geändert, dass die LED gerade ausgeht. Nach dem Einschalten der Glühlampe zeigt die LED an, dass der Transistor durchschaltet.

Hell-Dunkel-Schaltung Für den Aufbau der Hell-Dunkel-Schaltung wird der Fotowiderstand mit dem lkn Potentiometer getauscht. Zum Einstellen wird die Glühlampe eingeschaltet und die Stellung des 1kO Potentiometers so geändert, dass die LED gerade ausgeht. Der Transistor schaltet nun, wenn die Glühlampe aus ist (dunkel). Die LED leuchtet. Er sperrt, wenn sie eingeschaltet wird (hell). Die LED erlischt.

Geräte und Bauelemente:

Einstellungen:

2 Netzgeräte -15V...15V=

UB=6V

Transistor BF245C

UB-Lichtquelle

Glühlampe 6V, 3W LED 20mA

Widerstand 1000 Potentiometer 1kO Fotowiderstand (LDR) Schalter (mechanisch)

=

6V

Seite: 117

Abbildung 84: Demonstrationsexperiment njfet_ schalt_ opt für einen n-KanalJFET als Schalter (optisch gesteuert; Hell-HeIl-Schaltung)

Seite: 118

Abbildung 85: Demonstrationsexperiment njfet_ schalt_ opt2 für einen n-KanalJFET als Schalter (optisch gesteuert; Hell-Dunkel-Schaltung)